高溫快速堆肥處理屠宰廢棄物效果研究
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何秀紅 羅學(xué)剛 賈文甫 焦揚(yáng)
（1．西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010；
2．生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，四川綿陽621010）
——《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》
摘要：實驗以屠宰廢棄物為堆肥原料，在60 ℃高溫下，通過添加不同質(zhì)量濃度(0、0.25%、0.5%、0.75%、1%)的嗜熱脂肪地芽孢桿菌，采用自制呼吸瓶發(fā)酵7.5 h和堆肥呼吸儀發(fā)酵10 h 2種模式，研究高溫快速堆肥處理屠宰廢棄物的效果。結(jié)果表明：在10 h內(nèi)，2種堆肥模式溫度的變化經(jīng)歷60℃上升到69℃的升溫期、63—69℃的高溫期、69℃下降到61℃的降溫期，最后接近環(huán)境溫度60℃，快速達(dá)到常溫堆肥30—60 d左右的效果；堆肥過程中含水率的變化范圍從44%下降到39.22%；碳氮比(C/N)的變化范圍從20.53下降到14.66；02含量最低為4.5Vo；CO2的含量最高為980 cInVms；pH的變化范圍從9.78上升到10.18；EC的變化范圍從2.89降到1.06；1%加菌組腐熟效果最佳，與對照組相比，種子發(fā)芽指數(shù)( G/)提高24%、終點C/N與起始C/N之比（丁值）降低10.2%、腐殪質(zhì)在465 nm和665 nm的吸光度比值（E4 /E6）降低13.2%。該研究結(jié)果可為養(yǎng)殖和屠宰廢棄物規(guī)模化利用制備有機(jī)肥提供一定的參考。
關(guān)鍵詞：屠宰廢棄物；高溫；快速；堆肥；資源化；嗜熱脂肪地芽孢桿菌
在養(yǎng)殖場不斷地集約化、自動化與規(guī)�；男蝿菹拢罅筐B(yǎng)殖畜禽糞便與屠宰廢棄物亟待解決。將屠宰廢棄物資源化已成為世界各國關(guān)注的問題，對于人口眾多、肉類消耗較多的中國來說，實現(xiàn)屠宰廢棄物資源化尤為重要。在養(yǎng)殖和屠宰廢棄物肥料化方面，主要是通過好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)生產(chǎn)有機(jī)肥，根據(jù)是否成為商品分為商品有機(jī)肥和農(nóng)家肥。規(guī)模養(yǎng)殖場主要以商品有機(jī)肥為主，農(nóng)戶散養(yǎng)和小規(guī)模養(yǎng)殖場主要是農(nóng)家肥。根據(jù)中商情報網(wǎng)的研究數(shù)據(jù)顯示，2012年全國共有商品有機(jī)肥企業(yè)3 021家，年實際生產(chǎn)總量2 488萬t，分別占規(guī)�；B(yǎng)殖畜禽糞便總量的6.11%和3.21%。其中，年產(chǎn)量大于10萬t的企業(yè)81家，2萬～10萬t的企業(yè)478家，共占企業(yè)總數(shù)的18.5%，絕大多數(shù)企業(yè)的年產(chǎn)量在2萬t以下�？梢�，我國商品有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模偏小，小規(guī)模企業(yè)往往廠房簡陋、生產(chǎn)技術(shù)落后。農(nóng)家肥主要滿足自家農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需求，生產(chǎn)量約為4.5億t/a左右，約占資源總量的18%。
應(yīng)用于處理養(yǎng)殖和屠宰廢棄物的高溫堆肥技術(shù)工藝分為原料預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵、后處理等4道主要生產(chǎn)程序。在55 —60℃的溫度維持3d以上，才能達(dá)到殺滅病原菌的目的。55—60℃中高溫10 d左右，產(chǎn)品達(dá)到了穩(wěn)定。堆肥原料水分的多少及堆體氧濃度，直接影響好氧堆肥反應(yīng)速度的快慢，理想的堆體水分含量在40%—60%，理想的堆體氧濃度在5%。15%。特別是在冬季或高原低溫缺氧環(huán)境下，常規(guī)堆肥技術(shù)存在的技術(shù)難點：采用翻拋生產(chǎn)工藝，發(fā)酵不徹底也不均勻；生產(chǎn)環(huán)境堆放場地大，開放有污染；堆放溫度一般在60℃以內(nèi)，殺滅病蟲卵雜草籽不徹底，安全效果差；生產(chǎn)時間30～90 d，發(fā)酵周期長；人力投入較多，機(jī)械化程度低等�，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)條件下，大規(guī)模養(yǎng)殖和屠宰廢棄物采用常規(guī)堆肥技術(shù)，由于體積龐大，養(yǎng)分含量低和無害化程度差等缺點，限制了常規(guī)高溫堆肥技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在10 h內(nèi)完成堆肥發(fā)酵，適宜機(jī)械化操作的高溫快速堆肥技術(shù)是目前規(guī)�；B(yǎng)殖和屠宰業(yè)發(fā)展急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。
Geobacillus屬細(xì)菌能降解和清除多種有機(jī)和無機(jī)化合物，在60 ℃左右的中等高溫條件下，Geobacillus一般處于優(yōu)勢地位。本研究以Geobacillus屬的嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophilus）為外源微生物，采取發(fā)酵倉式堆肥，在60℃的較高溫條件下，將屠宰廢棄物發(fā)酵10 h，每隔2h采集樣品用于測定發(fā)酵過程中的物質(zhì)變化，同時應(yīng)用土壤呼吸儀自帶計算機(jī)軟件實時監(jiān)控C02、02的變化，最后對腐熟度進(jìn)行分析，以期解決當(dāng)前常規(guī)高溫堆肥需30～90 d的技術(shù)問題；為減輕屠宰固體廢棄物對環(huán)境的污染，促進(jìn)其資源化利用及工廠化生產(chǎn)提供一定參考。
1材料與方法
1.1 實驗主要設(shè)備
六通道堆肥呼吸儀HORIBA Model VA-3000(日本崛場株式會社)；
自制呼吸瓶：將廣口瓶去塞，瓶口用封口膜包扎。
1.2供試高溫茵與廢棄物
實驗外源微生物為購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心( CICC)的嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillusstearothermophitus），培養(yǎng)基為CM0828嗜熱棲熱菌培養(yǎng)基；
廢棄物為青海省西寧市某屠宰場廢物脫水分離后的干固體廢棄物，取得固體廢棄物后過1mm的篩，屠宰廢棄物的基本性質(zhì)如表1，屠宰廢棄物的X射線衍射(XRD)基本組成成分分析見表2。
1.3實驗設(shè)計
實驗采用自制呼吸瓶和呼吸儀2種模式。堆肥前期，按以下5個濃度添加微生物量：0、0.25%、0.5%、0.75%、1%，并調(diào)節(jié)水分含量約為60%，充分混勻堆料，分別于呼吸瓶中填裝200 g堆料，放于電熱恒溫箱中，設(shè)定溫度為60 ℃；呼吸儀的發(fā)酵倉中填裝5 kg堆料，調(diào)節(jié)溫度控制面板為60℃。每個處理重復(fù)3次。
1.4采樣方法
采用5點采樣法進(jìn)行采樣，分別從發(fā)酵裝置的前、中、后、左、右進(jìn)行采樣，呼吸瓶實驗每隔1.5 h采樣1次，呼吸儀實驗每隔2h取樣1次。所采新鮮樣裝于塑封袋中放在4 ℃的冰箱中待用，另取一份于信封紙袋中風(fēng)干備用。
1.5所測指標(biāo)與方法
溫度的測定：呼吸儀發(fā)酵倉中心自帶溫度探測金屬棒，呼吸瓶中同時插入堆體中下層前、中、后、左、右5個不同位置溫度計，讀取5個讀數(shù)，計算平均值。
含水率的測定：將新鮮樣置于105 ℃的恒溫干燥箱（上海培因）中24 h至恒重，計算含水率。
碳氮比( C/N)的測定：將烘干的樣品過0.2 mm篩后，通過Vario EL CUBE元素分析儀（德國元素分析系統(tǒng)公司）測定。
O2、CO2的測定：采用六通道堆肥呼吸儀配置的HORIBA Model VA-3000多氣體分析儀（日本崛場株式會社）進(jìn)行測定。
種子發(fā)芽指數(shù)(G/)的測定：新鮮樣與去離子水按1:10混合均勻，靜置th，吸取5 mL滴于9 cm的墊濾紙培養(yǎng)基中，同時以去離子水組作為對照，每盤均勻播種10粒高梁種子，在25 ℃的MGC-250P恒溫箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）中黑暗培養(yǎng)48 h，測定根長并計算發(fā)芽率。
GI=[（處理發(fā)芽率 ×處理根長）÷(對照發(fā)芽率×對照根長)]xl00%
腐殖質(zhì)在465 nm和665 nm的吸光度比值（E4/E6）的測定：新鮮樣與去離子水按1:10混合，充分振蕩均勻，4 ℃，12 000 r/min離心10 min，上清液過0.45um的微孔濾膜，濾液稀釋10倍后，用酶標(biāo)儀測定稀釋液在465 nm和665 nm處的吸光值。
終點碳氮比與起始碳氮比的比值（丁值）的計算：終點C/N與起始C/N的比值。
酸堿度(pH)、電導(dǎo)率(EC)的測定：稱取過1 mm篩的風(fēng)干樣5.0 g于100 mL的燒杯中，加入50 mL超純水，攪動15 min，靜置30 min(參照國家標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012)，校準(zhǔn)酸度計后，分別用PHS-3CW酸度計(BANTEinstrument)和Ecoscan con 6電導(dǎo)儀(EUTEOHinstruments)對浸提液進(jìn)行測定。
1.6數(shù)據(jù)處理與分析
使用Word、Excel、Dps 7.5、Origin 8.5進(jìn)行表格制作與數(shù)據(jù)統(tǒng)計、作圖及分析。
2結(jié)果與分析
2.1堆肥過程中物質(zhì)的變化
2 .1.1廢棄物溫度的變化
溫度變化是堆肥過程中利用微生物降解有機(jī)質(zhì)的直觀反映，一般堆肥要經(jīng)歷升溫過程、高溫持續(xù)、溫度下降3個階段，添加外源微生物并不能明顯影響到溫度的變化趨勢，黃翠等研究表明添加嗜熱微生物能使堆體溫度更高，有利于殺滅病原菌，同時利用嗜熱微生物的高生長率、高活性可快速降解有機(jī)質(zhì)加快堆肥腐熟。圖1和圖2分別為60℃下呼吸瓶和呼吸儀中發(fā)酵10 h內(nèi)溫度的變化。
圖1的呼吸瓶7.5 h實驗?zāi)Ｊ街�，對照組及其余4個實驗組的溫度均呈現(xiàn)先降低后上升再穩(wěn)定最后趨于下降的趨勢。在堆肥初期1.5 h內(nèi)，大量的糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)供微生物分解利用，反應(yīng)過程需要消耗熱量，同時呼吸瓶的頂部開口處所用封口膜，會使熱量散失，故整體出現(xiàn)溫度下降。然而隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，在1.5 —4.5 h之間，微生物新陳代謝活躍，分解反應(yīng)因累積效應(yīng)而產(chǎn)生大量的熱量，散失和消耗的熱量少于累計產(chǎn)生的熱量，故溫度上升進(jìn)而達(dá)到堆肥的高溫階段。此外，在高溫階段持續(xù)1.5 h以上，最終溫度下降趨于設(shè)備環(huán)境溫度。在整個發(fā)酵過程中，由于外源高溫菌的添加濃度不同，溫度的變化表現(xiàn)出提前與滯后，這主要是由于微生物含量不同而引起的反應(yīng)速率不同。
圖2的呼吸儀10 h實驗?zāi)Ｊ街�，溫度曲線呈現(xiàn)震蕩變化趨勢，先小幅度下降后上升再下降到穩(wěn)定。在堆肥初期2h內(nèi)，溫度并未上升，是由于微生物的活動消耗熱量，隨著生化反應(yīng)的進(jìn)行，從2h到4h，處理組溫度出現(xiàn)大幅升高，對照組溫度升高較遲緩。6h時，溫度處于下降階段，在8 —10 h，溫度處于穩(wěn)定期，趨于設(shè)備環(huán)境溫度。同時，隨加菌濃度的不同，溫度的變化快慢及幅度有所不同，外源高溫菌的加入，有利于堆肥的腐熟。
2 .1.2廢棄物含水量的變化
含水量是堆肥的重要環(huán)境因子，一般堆肥的含水量為40% —75%，足夠的水分有助于堆肥時將有機(jī)質(zhì)分解為C02、H20和腐殖質(zhì)類，但是過多的水分又會影響通氣，使有氧呼吸轉(zhuǎn)化為無氧呼吸過程。一定的濕度為微生物的繁殖代謝提供適宜環(huán)境。所以含水量也是檢驗堆肥順利進(jìn)行的重要指標(biāo)。
圖3為呼吸瓶實驗?zāi)Ｊ较潞康淖兓�，所有實驗組含水率隨發(fā)酵的進(jìn)行逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定。不同的加菌量，水分含量的下降速度不同，除CK和0.25%的處理組在6h含水量未達(dá)穩(wěn)定，其余組含水量在6h后均趨于穩(wěn)定。圖4為呼吸儀實驗?zāi)Ｊ较潞康淖兓�，整體趨勢表現(xiàn)為震蕩變化，原因可能是呼吸儀發(fā)酵倉為密閉環(huán)境，產(chǎn)生的水分不能散發(fā)，而通氣是依靠主機(jī)自帶通氣泵完成，所以在發(fā)酵的過程中，當(dāng)反應(yīng)散失水分后，馬上會有產(chǎn)生的水分積累，以致水分含量出現(xiàn)震蕩變化。起始對照組與處理組含水量均下降，可知反應(yīng)過程消耗一定量的水分。
2 .1.3廢棄物C/N的變化
微生物生長需要碳源和氮源，C和N是堆肥過程中發(fā)生變化的2個重要的組分，因而碳氮比( C/N)是一個重要的影響因素，合適的碳氮比可以加速堆肥腐熟，提高腐殖質(zhì)化程度，而且碳氮比與堆肥溫度變化有著密切的關(guān)系，若碳氮比較低時，有機(jī)物質(zhì)分解速度快，堆體溫度上升快，堆肥周期短。根據(jù)C/N的變化可知有機(jī)碳或氮素優(yōu)先被分解的情況，微生物活動的碳源和能源物質(zhì)主要是碳素，因此C/N呈現(xiàn)出下降趨勢。
圖5為呼吸瓶實驗?zāi)Ｊ降腃/N，圖中結(jié)果表現(xiàn)為低濃度加菌量碳素優(yōu)先分解，高濃度加菌量氮素分解較多，但在4.5 h后C/N整體呈現(xiàn)下降趨勢。圖6為呼吸儀實驗?zāi)Ｊ降腃/N，在發(fā)酵2h內(nèi)，各實驗組的C/N迅速上升，隨著時間的延長，出現(xiàn)下降趨勢，主要原因可能是堆料中有牛糞，而牛糞中氮素含量較高，因含氮物質(zhì)在起始時被分解，導(dǎo)致開始時氮素的消耗量多余碳素的消耗量。由于此過程比較短暫，所以未造成氮素的大量流失。
2 .1.4廢棄物02、C02的變化
堆肥過程中會利用氧氣，產(chǎn)生出二氧化碳，所以氧氣的含量與二氧化碳的含量應(yīng)互為消長。
圖7為呼吸儀實驗?zāi)Ｊ降?2含量變化，由圖7可見，對照組在3h后，氧氣含量大幅降低，其余處理組在開始時，氧氣含量即大幅降低。說明處理組02消耗較多，并且對照組呼吸速率低于其他處理組。th后，O2的含量均勻回升，直到趨于設(shè)定的通氣含量，表明發(fā)酵已基本完成。圖8為呼吸儀實驗?zāi)Ｊ降腃O2含量變化，與圖7相比，呈相互對應(yīng)關(guān)系，消耗大量O2的同時，產(chǎn)生大量CO2，即堆料的呼吸過程。
2.1.5廢棄物pH、EC的變化
微生物喜歡在中性到弱堿性的環(huán)境生長，并且當(dāng)pH為5時，葡萄糖和蛋白質(zhì)停止降解，因為在分解有機(jī)物的起始過程pH在下降，故要將高溫期的pH控制在中性或弱堿性環(huán)境。電導(dǎo)率(EC)可反應(yīng)堆肥過程中有機(jī)離子和無機(jī)離子濃度的變化.EC值過大會影響微生物的代謝活動，影響微生物的繁殖進(jìn)而影響堆肥的進(jìn)程。
圖9是呼吸儀試驗中pH的變化，在2—4 h期間，pH為下降趨勢，隨著氨類化合物的產(chǎn)生，pH呈現(xiàn)上升趨勢，最后趨于穩(wěn)定。堆肥完成，各組pH都小于12，符合堆肥pH的范圍。圖10是呼吸儀實驗中EC的變化，在2—4 h內(nèi)，EC值均呈現(xiàn)下降趨勢，在4—10 h內(nèi)EC基本表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，EC均低于Garcia給出的堆肥電導(dǎo)率值（小于4.0 mS/cm）。
2.2堆肥結(jié)柬后腐熟度的研究
腐熟度主要包括堆肥物料中的植物毒性物質(zhì)的消失和堆肥物料中有機(jī)物達(dá)到穩(wěn)定。腐熟程度是堆肥產(chǎn)品評價的熱點問題，腐熟指標(biāo)主要包括一些物理、化學(xué)、生物指標(biāo)，但單個指標(biāo)不能有效判斷堆肥腐熟與否，需多個指標(biāo)綜合評價。實驗選取近年來常用的腐熟指標(biāo)如表3。
表3為呼吸儀60 ℃發(fā)酵10 h的腐熟指標(biāo)。各實驗組發(fā)芽指數(shù)都大于85%，符合NY 525-2012有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)。pH在堆料pH 3—12的范圍內(nèi)，且pH隨外源菌含量的增大，表現(xiàn)為增大趨勢。電導(dǎo)率在腐熟堆料EC<4.0 mS/cm的范圍內(nèi)，T值由0.88變化到1.03，丁值較低，表明堆肥基本處于腐熟狀態(tài)，E4/E6的值從5.26降低到3.80，徐琬瑩等研究表明，E/E6可作為堆肥腐熟化的重要指標(biāo)，當(dāng)E/E6大于2.5時表明有機(jī)肥已達(dá)到腐熟。
3討論
堆肥是畜禽糞便等養(yǎng)殖廢棄物處理的較佳途徑，堆肥可使養(yǎng)殖廢棄物實現(xiàn)無害化和資源化，其最終目的是將堆肥原料中的不穩(wěn)定有機(jī)物降解為改善土壤并對作物無害的產(chǎn)品。本實驗以屠宰廢棄物為堆肥原料，在60 ℃高溫下，通過添加外源嗜熱脂肪地芽孢桿菌，研究高溫快速處理屠宰廢棄物的效果。結(jié)果表明：(1)在溫度方面，在10 h內(nèi)，2種堆肥模式溫度的變化經(jīng)歷60℃上升到69℃的升溫期、63～69℃的高溫期、69℃下降到61℃的降溫期，最后接近環(huán)境溫度60℃，于光輝等f251學(xué)者研究表明，添加外源菌可促進(jìn)升溫，加速堆體有機(jī)物質(zhì)的降解。本研究溫度的變化結(jié)果可達(dá)到常溫堆肥30~60 d左右的效果；(2)在含水率方面，水分在堆肥過程中的主要作用其一是蒸發(fā)帶走熱量、起到調(diào)解堆肥溫度的作用；其二是溶解不穩(wěn)定有機(jī)物，參與微生物的新陳代謝。張隴利等研究表明，隨著堆肥反應(yīng)的進(jìn)行，堆體水分含量均呈現(xiàn)下降趨勢。本研究堆肥過程中含水率的變化范圍從44%下降到39.22%，與前人研究結(jié)果一致；(3)在碳氮比方面，隨著堆肥時間的不斷延長，堆體內(nèi)有機(jī)碳被分解以C02的形式逸出，全碳含量不斷下降；而氮素含量卻隨著堆體的濃縮效應(yīng)不斷上升，因此C/N在堆肥過程中呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。本實驗碳氮比( C/N)的變化范圍從20.53下降到14.66，結(jié)果與前人一致；(4)在氣體變化方面，不成熟的堆肥中有機(jī)物質(zhì)的強(qiáng)烈分解需要大量的02，而腐熟堆肥的耗氧速率比堆肥初期明顯下降，其大小可表明堆肥的穩(wěn)定程度。本實驗02含量最低為4.5%；C02的含量最高為980cm3/m3，符合前人證實的C02的發(fā)生量變化與氧氣濃度變化是互為消長的結(jié)果r18l; (5)在pH方面，堆肥過程中堆體pH值取決于微生物自身調(diào)節(jié)作用，接種外源微生物菌劑對堆體pH值變化規(guī)律影響不大。本研究pH的變化范圍從9.78上升到10.18，變化不大；(6)在EC方面，EC過高，高濃度的鹽分會對種子的發(fā)芽有抑制作用，EC值低于3時，腐熟堆肥可以安全施用。本研究EC的變化范圍從2.89降到1.06，在安全施用范圍之內(nèi)；(7)在腐熟度方面，前人研究表明，種子發(fā)芽率越高，則堆肥產(chǎn)物毒性越小，腐熟度越好；T值越低，分解碳素和產(chǎn)生氮素越多，腐熟度越好；在堆肥后期E/E6值均呈現(xiàn)降低現(xiàn)象。本實驗1%加菌組腐熟效果最佳，與對照相比，GI提高24%、丁值降低10.2%、E4/E6值降低13.2%。總體與前人研究結(jié)果一致。
本實驗在7.5 h和10 h的持續(xù)60 ℃以上高溫中堆肥，各測定指標(biāo)結(jié)果顯示，基本達(dá)到前人研究的腐熟狀態(tài)。存在的問題：(1)T值降低到0.88，未達(dá)到有學(xué)者提出的最終T值小于0.6的要求，原因可能是浸提液稀釋濃度不夠?qū)е碌奈庵递^大。(2)未進(jìn)行70℃、80℃等更高溫度的對比試驗，今后可在加菌濃度不同的基礎(chǔ)上改變堆肥溫度，探索出最佳高溫、最適加菌量與最短時間達(dá)到腐熟的新工藝，為及時資源化屠宰場廢棄物提供一定的參考。
4結(jié)論
牛羊下水等屠宰廢棄物經(jīng)脫水處理，是良好的有機(jī)肥或生物有機(jī)肥原料。本實驗通過2種模式60 ℃高溫7.5 h和10 h快速堆肥，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)物對植物沒有毒副作用，一些物理（溫度、含水量等）、化學(xué)(pH、EC等)、生物（GI、呼吸作用等）指標(biāo)顯示已達(dá)到腐熟，且屠宰廢棄物含有豐富的營養(yǎng)價值，故借助外源嗜熱菌高溫快速堆肥處理屠宰廢棄物是高效資源化屠宰場堆積廢棄物的較佳途徑。
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